二維材料因其獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光電特性,吸引了眾多學(xué)者的研究興趣,并在新型光電探測領(lǐng)域顯示出了巨大的應(yīng)用前景.目前研究的二維材料光電探測器多為光子型光電探測器,其光電探測過程涉及光到電的直接轉(zhuǎn)換.如何充分利用光電轉(zhuǎn)換機(jī)理,在器件性能和功能方面發(fā)揮二維材料的優(yōu)勢,是其在光電探測領(lǐng)域走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵.結(jié)合本課題組近年來的研究工作,以光子型光電探測器的基本光電轉(zhuǎn)換機(jī)理為主線,將近年來二維材料光子型光電探測器在參數(shù)性能的提升、光電轉(zhuǎn)換機(jī)理的拓展和器件功能的設(shè)計等方面進(jìn)行了總結(jié),并最后對二維材料光電探測器面臨的挑戰(zhàn)和可能的發(fā)展方向進(jìn)行了展望. 

【文章來源】：北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報. 2020,46(10)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：18 頁

【部分圖文】：

電場調(diào)控二維材料同質(zhì)結(jié)的器件結(jié)構(gòu)與光電特性

1.2 光柵壓效應(yīng)光柵壓效應(yīng)(photogating effect)是光導(dǎo)效應(yīng)的一種特殊情況,詳述如下. 當(dāng)光照引起光導(dǎo)效應(yīng)后,產(chǎn)生了光生電子空穴對. 然而,由于半導(dǎo)體材料中存在一些缺陷或者能帶工程中存在勢阱,其中一種載流子(如空穴)被束縛在材料缺陷態(tài)或者勢阱中,電子與空穴難以復(fù)合,從而導(dǎo)致載流子壽命延長,光電流增大的現(xiàn)象. 其能帶機(jī)理解釋如圖1(b)所示. 基于光柵壓效應(yīng)的二維材料光電探測器件結(jié)構(gòu)與光導(dǎo)型器件結(jié)構(gòu)相似,不同的是,光柵壓型光電探測器的光敏二維材料存在如空位、雜質(zhì)替位或分子吸附等原因?qū)е碌娜毕?如圖1(e)所示. 利用光柵壓效應(yīng)制備的光電探測器轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1(h)所示,可以看出,該光電流變化可以等效成器件光敏材料上施加的額外柵壓,而光導(dǎo)效應(yīng)則沒有此變化. 二維材料具有原子層量級的厚度,材料缺陷和能帶工程對二維材料的影響更加明顯,因此光柵壓效應(yīng)廣泛存在于二維材料光電探測器中. 光柵壓效應(yīng)對二維材料光電探測器的性能影響具有兩面性. 一方面,由于其中一種載流子被捕獲,自由的載流子在器件中甚至可以多次渡越,使得光電流大幅增加,從而極大提高光電探測器的響應(yīng)度和電流增益;另一方面,由于捕獲的載流子釋放過程時間較長,會大幅增加光電探測器的響應(yīng)時間,通常響應(yīng)時間可達(dá)到秒級甚至幾十秒量級,使得由光柵壓效應(yīng)主導(dǎo)的光電探測器具有較差的響應(yīng)速度和較窄的工作帶寬.

從引言可知,石墨烯極短的激子壽命使其在光電探測方向的應(yīng)用大大受限. 然而,結(jié)合二維材料顯著的光柵壓效應(yīng),若能增加石墨烯中的缺陷態(tài),則可以延長石墨烯的激子壽命,從而提高石墨烯光電探測器的響應(yīng)度. 因此,本課題組Zhang等[21]通過石墨烯缺陷工程,形成量子點(diǎn)化石墨烯,打開了石墨烯的帶隙,增加了缺陷能級,從而調(diào)控了石墨烯激子壽命. 在低溫的測試條件下,獲得了8.61A/W的超高響應(yīng)度,同時,仍保持了從可見光到中紅外波段(10 μm)的寬光譜探測能力. 器件結(jié)構(gòu)、光電探測機(jī)理解釋和光電流的時間響應(yīng)如圖2所示. 從圖2(b)的能帶解釋可以看出,通過石墨烯的量子點(diǎn)化處理,石墨烯能帶打開,并在禁帶內(nèi)產(chǎn)生缺陷能級(圖中禁帶內(nèi)的條狀能帶為缺陷能級),當(dāng)光照到量子點(diǎn)化石墨烯表面時,產(chǎn)生光生激子,其中的電子被缺陷能級捕獲,而空穴通過跳躍的方式形成光電流,從而實現(xiàn)了激子壽命的延長,大幅提高了響應(yīng)度.提高石墨烯光電探測器性能的另一種方式是將石墨烯與其他材料結(jié)合,如量子點(diǎn)等,通過能帶工程的方式實現(xiàn)光柵壓效應(yīng),提高光電探測器的響應(yīng)度[2, 22-25]. 其器件結(jié)構(gòu)與工作原理如圖3(a)(b)所示[22]. 將PbS量子點(diǎn)結(jié)合配體均勻涂覆在石墨烯上,從而形成石墨烯/PbS量子點(diǎn)雜化的光電探測器. 當(dāng)光照時,PbS量子點(diǎn)產(chǎn)生光生電子空穴對,其中電子被缺陷態(tài)捕獲,空穴注入到石墨烯中,形成了光電流. 因該過程為光柵壓效應(yīng),結(jié)合PbS量子點(diǎn)的優(yōu)異光吸收,從而獲得了超高的響應(yīng)度(107 A/W). 利用該器件原型,可以繼續(xù)制備出基于石墨烯/PbS量子點(diǎn)雜化的成像傳感器陣列,并結(jié)合集成化的讀出電路,實現(xiàn)了可見光至短波紅外的成像,為石墨烯基光電探測器的發(fā)展帶來了希望. 此外,該探測器在柔性可穿戴的健康監(jiān)測方面仍有較好的應(yīng)用前景[24]. 然而,石墨烯的導(dǎo)電性過高,導(dǎo)致石墨烯/PbS量子點(diǎn)雜化的光電探測器具有較大的暗電流,這會大大降低光電探測器的靈敏度(噪聲等效功率較高和探測率較低),因此,有研究學(xué)者利用其他二維材料來替代石墨烯,從而在響應(yīng)度和探測率2個參數(shù)之間達(dá)到平衡[26-29].


本文編號：3505016